Учёные научились создавать «структурированные фотоны» для квантовых технологий

Физики из Университета Витватерсранда (ЮАР) и Автономного университета Барселоны продемонстрировали, как можно целенаправленно формировать свет на квантовом уровне в пространстве и времени для создания высокоразмерных и многомерных квантовых состояний. Контролируя пространственный узор, время и спектр фотона, команда создаёт так называемые структурированные фотоны. Эти «собранные на заказ» частицы света открывают новые возможности для квантовой связи большой ёмкости и технологий следующего поколения.

Обзор, опубликованный в журнале Nature Photonics, описывает быстрый прогресс в создании, управлении и измерении структурированного квантового света. В работе подчёркивается растущий набор мощных инструментов, включая интегральную фотонику на чипе, нелинейную оптику и мультиплоскостное преобразование света. Вместе эти методы превращают структурированные квантовые состояния из лабораторных концепций в практические системы для визуализации, сенсорики и квантовых сетей.

Профессор Эндрю Форбс из Университета Витватерсранда, ведущий автор исследования, отмечает, что за последние 20 лет эта область претерпела замечательные изменения.

Настройка квантовых состояний, когда квантовый свет проектируется для конкретной цели, в последнее время набирает темпы, наконец-то начиная раскрывать свой полный потенциал. Двадцать лет назад инструментарий для этого был практически пуст. Сегодня у нас есть компактные и эффективные источники квантового структурированного света на чипе, способные создавать и контролировать квантовые состояния.

Ключевое преимущество формирования фотонов — возможность использования высокоразмерных алфавитов кодирования. Проще говоря, каждый фотон может нести больше информации и эффективнее противостоять помехам. Это делает структурированный квантовый свет особенно привлекательным для защищённых систем квантовой связи.

Несмотря на прогресс, реальные условия по-прежнему создают препятствия. Некоторые каналы связи плохо подходят для пространственно структурированных фотонов, что ограничивает дальность передачи таких сигналов по сравнению с более традиционными свойствами, такими как поляризация.

Хотя мы добились удивительного прогресса, остаются сложные проблемы. Дальность передачи со структурированным светом, как классическим, так и квантовым, остаётся очень низкой... но это также и возможность, стимулирующая поиск более абстрактных степеней свободы для использования.

Чтобы преодолеть это ограничение, исследователи изучают способы придания квантовым состояниям топологических свойств. Топологические особенности могут сделать квантовую информацию более устойчивой к возмущениям.

Мы недавно показали, как квантовые волновые функции по своей природе обладают потенциалом быть топологическими, и это обещает сохранение квантовой информации, даже если запутанность хрупкая.

Обзор также описывает быстро развивающиеся области: многомерную запутанность, сверхбыструю временную структуризацию, передовые методы нелинейного детектирования и компактные устройства на чипе, способные генерировать или обрабатывать квантовый свет более высокой размерности, чем когда-либо прежде. Эти прорывы прокладывают путь к квантовой визуализации высокого разрешения, чрезвычайно точным измерительным инструментам и квантовым сетям, способным передавать больше данных через множество взаимосвязанных каналов.

В целом, область, по-видимому, достигает переломного момента. Исследователи считают, что квантовая оптика на основе структурированного света готова к значительному росту, и будущее выглядит «очень ярким». Однако для увеличения размерности, повышения выхода фотонов и проектирования квантовых состояний, способных выдерживать реалистичные оптические среды, потребуется дополнительная работа.